（机械电子工程专业论文）平面二次包络蜗杆数控磨床磨头主轴箱的装配工艺设计.pdf

西华大学硕士学位论文 摘要 随着科学技术的发展以及经济全球化进程的加快，企业在市场竞争中面临着巨大的 挑战，缩短产品生命周期成为企业生存下去的必要条件。而装配作为产品生命周期中的 重要环节，装配c a p p 的发展和应用必将对现代制造业起到极大的推动作用。 相对于传统的装配工艺设计，目前对于装配c a p p 系统的研究已经取得了很大的进 步。传统的装配工艺设计存在的问题是：设计周期很长、对工艺人员依赖性强、不利于 信息的集成化和企业的信息化。因此，本文提出以s o l i dw o r k s 为系统的开发和应用平 台，对平面二次包络蜗杆数控磨床磨头主轴箱进行装配工艺设计，通过将产品设计b o m ， 转换生成装配b o m ，以装配b o m 为基础进行主轴箱装配顺序和装配路径的规划，最后对产 品的装配过程进行干涉检测，输出工艺文件，完成对产品的装配工艺设计。 论文主要完成了以下研究： ( 1 ) 在三维c a d 软件s 0 1 i d w o r k s 中对平面二次包络蜗杆数控磨床磨头主轴箱的零部 件进行特征建模，并建立装配模型，采用层次结构模型的方法建立装配信息模型，完成 三维装配模型特征几何信息和约束信息的集成，实现设计信息到装配信息转换，为装配 过程的顺序规划和路径规划提供信息来源。 ( 2 ) 对装配c a p p 系统的框架结构进行研究，将装配c a p p 系统主要分为用户界面 层、系统功能层、对象层、系统支持工具层四层结构。系统的主要功能模块主要包括对 产品装配工艺的设计、装配过程的仿真、工艺资源和工艺文件的管理。 ( 3 ) 以s o l i d w o r k s 为平台，对装配工艺设计系统的关键技术：装配信息的提取、 装配顺序的规划、装配路径的规划、装配的仿真、工艺资源和工艺文件的管理等进行分 析和研究，并最终生成装配过程仿真，输出装配工艺文件。以产品零部件的层次划分和 拆卸原理来确定产品装配顺序；并利用零部件节点位姿的矩阵变换进行路径规划；对零 部件装配过程中的节点进行干涉检测并生成装配过程工艺文件，指导现场装配。 通过对s o l i d w o r k s 的二次开发工具s o l i d w o r k sa p i 进行设计，开发了一个装配工艺 设计系统。以平面二次包络蜗杆数控磨床磨头主轴箱为例，实例验证了这个装配工艺设 计系统的可行性，提高了装配工艺设计效率。 关键词：装配工艺；装配仿真；装配位姿；工艺管理 平面二次包络蜗杆数控磨床磨头主轴箱装配工艺设计 a b s t r a c t w i n lt h ed e v e l o p m e n to fs c i e r l c ea n dt e c h n o l o g y ，a sw e l la s 也ep r o c e s so f 黜m i c 酉o b a l i z a t i o np r o c e s s ，t h ee n t e r p r i s e si sf a c i l l ge n o 册o u sc h a l l e l l g e si i lm a r k e tc o m p e t i t i o 玛 s h o r t 痂gp r o d u c tl i f ec y c l et ob e c o m et l l en e c e s s a wc o n d i t i o nf o re n t e 巾一s et os u r v i v e a n d a s s e l b l ya sa l li i l l p o r t a n tl i i l l ( i 1 1t i l ep r o d u c tl i f ec y c l e ，t h ed e v e l o p m e l l ta n da p p l i c a t i o no f 吐1 e a s s 锄b l yc a p pw i l lh a v eag r e a t 嘶v i n ge f f e c ti i lm o d e n lm 锄u f a c 嘶n gi 1 1 d u s 仃y c o m p 鲫e dw 油t h e 仃a d i t i o n a la s s 锄b l yp r o c e s sd e s i g mt h er e s e a r c ho fa u s s e i i l b l yc a p p s y s t e m sh a v em a d eg r e a tp r o g r e s sa tp r e s e n t t h ep r o b l e m so f 仃a d i t i o n a la s s e m b l yp r o c e s s d e s i g na r et 1 1 a t ：t h ed e s i g nc y c l ei st o o1 0 n g ，m es t r o n gd e p e n d e n c eo nt e c h n 0 1 0 9 yp e r s o i l n e l ， 柚dn o tc o n d u c i v et om ei i l t e g r a t i o no fi n f o r m a t i o na i l d 廿1 ee n t e 印r i s e si 川o n n a t i o n t l l i s p a p e rp u t sf b 州a r dt 0s o l i d w o r k sa ss y s t 啪d e v e l o p m e i l ta i l da p p l i c a t i o np l a t f 嘶m ，t 0d e s i 班 t h ea s s e m b l y p r o c e s so fe n v e l o p i n gw o 彻c n c 卵n d e rg r i i l d i n g h e a d s p i n d l e b o x c o n v e r s i o nt l l ep r o d u c td e s i g nb o m ，t oa s s e m b l yb o m ，w i t l la s s e h l b l yb o ma st h e f 0 u i l d a t i o np l 幽gt h ea s s e m b l ys e q u c ea n da s s e m b l yp a t ho ft 1 1 es p i n d l eb o x ，a i l df m a l l y g e tt h ei i l t e r f 打e i l c ed e t e c t i o no f 吐1 ep r o d u c ta s s 锄b l yp r o c e s s ，o u t p u tt l l ep r o c e s sd o c u m e n t s a n dt h e nc o m p l e t et h ea s s 锄b l yp r o c e s sd e s i 印o ft l l ep r o 血c t t l l i sp 印e rm a “yd i s c u s s e st h ef o l l o w i n gs t u d i e s ： 1 g e tf e a t u r em o d e l i i l go f 也ep a r t so ft l l ep l a n a rq u a d r a t i ce n v e l o p eo fw o 肋c n c 酣n d e r 咖d 啦h e a ds p i n d l eb o xi 1 1t l l et 1 1 r e e d 沛e 1 1 s i o n a lc a ds o 脚a r es o l i d w o 如，a i l d e s t a b l i s h 也ea s s e m b l ym o d e l u s et h ek e r 卸c k c a lm o d e lt 0e 曲如l i s h 也ea s s e m b l y i i l f o n n a t i o nm o d e l ，c o m p l e t et 1 1 ei m e 乒a t i o no f 也r e e - d i i l l e l l s i o n a la s s e m b l ym o d e lf e a t u r e s g e o m e t r i cm f o 肋a t i o na n dc o n s 仃a i n t si n f o 彻a t i o n ， a c l l i e v et h ec o n v e r s i o no fd e s i g n i d 曲册a t i o nt oa s s e m b l yi n f o 彻a t i o nt op r o v i d em es o u r c eo fi i o m a t i o nf o rt 1 1 eo r d e ro f a s s 锄b l yp r o c e s sp la r l 血ga n dp a t hp l 籼i i l g 2 s t u d y 廿1 e 仔锄es t l l l c t u r e s o ft 1 1 e a s s e m b l yc a p ps y s t 锄，m a i l l l yd i v i d e 血e a s s e m b l ec a p ps y s t 锄i n t of o u rl a y e r ss 仇j c t u r ea su s e ri 1 1 t e r f h c el a y c r ，s y s t 锄 m c t i o nl a y e r ， o b j e c t1 a y e ra n ds y s t e i i ls u p p o r tt o o l s1 a y e r t h em a i l l 劬c t i o n a lm o d u l e so f 也es y s t 锄 i 1 1 c l u d et h ea s s e l l l b l yp r o c e s sd e s i g no ft l l e p r o d u c t ，a s s 锄1 b l yp r o c e s ss 岫u l a t i o i l ，t l l e m a n a g e m e n to f 也ep r o c e s sr e s 0 u e sa n dp r o c e s sf i l e s 3 s o l i d w o r l ( sa sap l a t f o m ，a n a l y z e 锄ds t u d yt l l ek e yt e c l l i l o l o g ) ，o fn l ea s s 钮1 b l y p r o c e s sd e s i g ns y s t e m ，w 1 1 i c h a r et 1 1 a tt l e a s s 锄b l yi i l f o m a t i o ne x 打a c t i o 玛a s s e m b l y s e q u e n c ep l 撇i n g ，a s s e m b l yp 砒p l a i m i i l g ，也ea l s s e m b l ys i m l a t i o n t e c h r l o l o g yr e s o u i c e s a 1 1 dp r o c e s sd o c 啪e n t sm a i l a g e m e n t f i l l a l l yg e tt h ea s s e m b l yp r o c e s ss i m u l a t i o na n do u t p u t t h ea s s 锄b l yp r o c e s sd o c 啪e 1 1 t s t h r o u 曲t h el e v e ld i v i s i o n 锄dr e l i l o v ep 咖c i p l eo ft h ep a n s 西华大学硕士学位论文 t 0d e t e r m i n em ep r o d u c t 雒s e m b l ys e q u e l l c e ；u s em 撕x 位l n s f o 珊a t i o no fp a r t sn o d ep o s i t i o n t og e tt 1 1 ep a t l lp l a l l i l i i l g ；t e s tt h ei n t e r f 色i e i l c eo f 吐1 ep a r t sn o d e si nt h ep r o c e s so fa s s 锄b l i n g a n dp r o d u c ea s s e m b l yp r o c e s sd o c u 】咀e n t st o 昏l i d ef i e l da s s e m b l y t b r o l l 曲也es e c o n dd e v e l o p m e n to fs o l i d w o f l 【sd e s i 盟t o o l ss o l i d w o f l ( sa p i ，d e v e l o pa 船s 锄b l yp r o c e s sd e s i g ns y s t e m p l a n a rq u a d 洲ce n v e l o p eo fw o r mc n cg 血d e rg r i l l d i r 培 h e a ds p i n d l eb o xa st 1 1 ee x 锄p l e ，d 锄o n s 臼眦et h ef e a s i b i l i t yo fm e 船s e i i l b l yp r o c e s sd e s i g n s v s t e m ，咖r o v et l l ee 伍c i e i l c yo ft l l ea s s e 力曲l yp r o c e s s k e yw o r d s ：a s s 锄b l yp r o c e s s ；a s s 锄b l ys 曲u l a t i o n ；a s s e t i l b l yp o s i t i o na i l d 0 n e n t a t i o n ；p r o c e s sm a n a g 锄e n t 两华大学硕士学位论文 1绪论 1 1 平面二次包络蜗杆磨床 1 1 1 平面二次包络蜗杆数控磨床简介 以直齿或斜齿平面蜗轮为产形轮而展成包络环面蜗杆称为平面包络环面蜗杆。平面 二次包络环面蜗杆副的形成需要有两次的包络运动。第一次包络运动是以一个平面齿蜗 轮的齿面为母面与蜗杆以一定的相对运动，包络出蜗杆的螺旋齿面；第二次包络运动是 以第一次包络运动形成的螺旋曲面为母面与蜗轮通过共轭运动包络出蜗轮齿面。 平面二次包络环面蜗杆传动具有：蜗杆齿面硬度高、精度高，接触面较大、接触齿 数多、接触应力小，并有瞬时双线接触、接触线长，综合曲率半径大、啮合润滑角大， 啮合中容易形成动压油膜，齿面磨损小等特点【l 】。因此，平面二次包络环面蜗杆传动很 快在全国各行各业中被广泛使用，研究和开发其专用的加工设备也受到各方面的重视。 平面二次包络蜗杆数控磨床是加工新型平面二次包络蜗杆精密加工的关键设备，西 华大学数控研究所，受重庆大学机械传动国家重点实验室的委托，近几年来致力于该种 设备的开发研究，开发了四轴四联动的数控磨床。 1 1 2 四轴四联动数控磨床磨削原理 图1 1 蜗杆加工原理 f i g 1 1c u 缸gt 1 1 e o r yo f w o 衄 四轴四联动磨床方案的工作原理如图1 1 所示烈，可绕自身旋转的磨削头安装在双层 工作台上，x 、y 轴联动实现圆插补，带动磨削头作轨迹为圆的平移运动，插补圆的圆心 平面_ 次包络蜗杆数控磨床磨头主轴箱的装配工艺设计 由工件蜗杆蜗轮啮合副的中心距1 决定，它也是蜗杆的基圆圆心。插补半径选择以砂轮 转台的回转中心o 到插补圆心0 的距离为半径。与此同时让磨削头绕自身回转中心0 1 作 旋转运动r ，转动的角度与同转工作台随插补运动转过的角度相等时，砂轮刀尖的位置 正好在磨削圆上，满足加工要求，实现x 、y 、r 三轴联动即可保证砂轮的工作面始终与 基圆相切。它们与蜗杆的主回转运动w 合成即实现四轴联动，就可实现蜗杆与蜗轮的啮 合运动完成整个加工。 1 2c a p p 的原理 c a p p ( c o m p u t e ra i d e dp r o c e s sp 1 a n n i n g ) ，即计算机辅助工艺设计系统，它是 以计算机软硬件作为设计的辅助工具，根据用户需求设计出来的零部件等的信息，设计 完成产品的加工、装配等设计制造过程。通过向计算机输入被加工零件的几何信息( 图 形) 和加工工艺信息( 材料、热处理、批量等) ，由计算机自动输出零件的工艺路线和工 序内容等工艺文件的过程 3 1 。传统的c a p p 系统通常是包括三个基本组成部分即：产品设 计信息的输入、工艺决策、产品工艺信息输出。 在产品的整个设计制造过程中，与计算机辅助工艺设计相连接，上游是计算机辅助 设计( c a d ) ，而下游是与计算机辅助制造( c a m ) 连接，在设计与制造之间的过程，计 算机辅助工艺设计起到桥梁作用，只有通过工艺过程设计，产品的设计信息才能生成制 造信息。产品的设计和制造，是通过工艺过程的设计实现信息和功能的集成。 1 3国内外装配工艺设计系统研究现状 1 3 1 c a p p 的发展 在2 0 世纪6 0 年代末，挪威和前苏联等国家开始了对c a p p 的研究。1 9 6 9 年，挪威研发 了第一个c a p p 系统，即a u t o p r o s 系统，它是根据成组技术原理定制零件的工艺规程。1 9 7 6 年，设在美国的国际性组织c a m i 研发的c a p p ( c a m i sa u t 伽a t e dp r o c e s sp 1 a n n i n g ) 系统，在c a p p 的发展历史上具有里程碑意义。 到7 0 年代末，我国才开始对c a p p 系统的研究，到8 0 年代初，才开发出具有实际应用 意义的c a p p 系统。最早开发出的c a p p 系统是同济大学开发的t o j i c a p 修订系统和西北工 业大学开发的创成式c a o s 系纠4 1 。1 9 9 卜1 9 9 4 年由西北工业大学、航空部6 2 5 所开发的智 能集成化f j 卜- c a d c a p p c a m 系统是最早在c a d c a p p c a m 智能集成化研究方面具有重要 实用价值、并取得突出社会和经济效益的c a p p 系统【5 】。在时代信息化的背景和激烈的竞 争中，制造型企业大都要使用到p d m 、m r p i i 和e r p 等软件，但在使用的过程当中，由于 c a p p 技术的研究发展相对与c a d 、c a m 辅助技术的滞后，使企业的信息化建设陷入了瓶颈。 在认识到c a p p 软件在企业信息化过程中起到的重要作用后，研发人员逐渐抛弃了传统落 西华大学硕士学位论文 后的c a p p 研究，开始从事智能化工艺过程的自动化研究。经过几十年的研究发展历程， 国内外对c a p p 技术都取得了很大的发展。 纵观c a p p 的发展历程，可以分为三个阶段： 1 、基于自动化思想的修订生成式c a p p 系统。2 0 世纪9 0 年代中期前，主要的研 究成果在传统的修订式、生成式c a p p 系统和专家系统的开发研究。由于以公益决策自 动化为唯一目标，出现了很多问题，系统开发周期长、费用过高、难度大；在使用过程 中需要进行大量的零件信息交互输入，比较容易出错；系统的使用功能和范围有很大的 局限性，在不同的生产环境下，系统的使用受到限制等。 2 、基于计算机辅助的使用化c a p p 系统。2 0 世纪9 0 年代以来，实用化的c a p p 系统以计算机化的工艺设计为目标，强调计算机的辅助作用。这种系统分为基于文字、 表格处理软件或二维c a d 软件的工艺卡片填写系统和基于结构化的c a p p 系统两种。 这些系统在产品工艺数据的一致性、准确性和工艺信息集成等方面都无法得到保障。 3 、面向企业信息化的制造工艺信息系统。它实现了对工艺信息和工艺资源的管理 以及与c a d c m ，p d m ，e i 冲的集成和资源共享，代表了现代c a p p 系统的研究发展方 向。 1 3 2 国外装配c a p p 研究现状 得益于c a p p 系统在企业中的大量应用，作为c a p p 技术中重要一环的产品装配工艺 也随着c a p p 技术的发展而发展。目前，在零部件加工工艺方面的c a p p 的研究已经有很 多，并且也开发出具有商业化性质的产品，但对于产品的装配工艺方面的研究，仍然比 较少，还没有见到对复杂产品或部件进行的装配工艺设计研究。计算机辅助装配系统设 计方面的研究虽然有一些，还没有开发出比较成熟的产品，在企业的应用中也还没有摆 脱传统的装配工艺设计。 在2 0 世纪9 0 年代早期，围外就开始对装配技术进行研究。1 9 9 5 年，由美国华盛顿州 立大学与美国国家标准及技术研究所( n i s t ) 合作，开发实现了一个基于v r 技术的虚拟装 配设计环境v a d e ( v i r t u a la s s e m b l yd e s i g ne n v i r o n m e n t ) 。设计人员可以在这个虚拟 装配环境中，评价并分析规划产品的装配过程，在产品设计早期就可以在虚拟装配中进 行虚拟拆装，发现设计过程的错误，使装配过程更加合理实用【6 1 。 美国s a n d i a 国家实验室开发了一个交互式的装配规划系统，名字叫a r c h i m i d e s 【7 - 8 】。 用户可以自己定义装配的约束信息，然后系统会自动生成产品的装配工艺，并自动对产 品的装配工艺进行分析，来确定这个装配结果在约束条件之内。系统还允许用户自己对 装配工艺的某一个或者一些数据指标，然后由系统对装配工艺进行评价优化来实现这些 指标。 平面二次包络蜗杆数控磨床磨头主轴箱的装配工艺设计 除了这些，日本的n a b e 等开发了一个关于机械零件可装配性的验证系纠9 】，虚拟 装配环境，让设计人员对零部件进行装配性分析；英国h 甜o t w a t t 大学开发的虚拟装 配规划系统u v a j f l 0 1 ，实现对装配路径和装配序列的虚拟规划；德国的b m w 公司建立了 v i r t u a lp r o c e s sw e e k 的体烈1 1 】，利用虚拟现实技术测试汽车装配的流程，以验证其是 否合理。 1 3 3 国内装配c a p p 研究现状 国内对于装配c a p p 的研究开发主要集中体现在知名的科研院校，也取得了一些成 果，但大多仍然属于实验性质，离装配c a p p 的商业化还有一定的差距。 国内最早进行装配c a p p 研究的是东南大学的易红教授。在装配工艺的自动生成、以 s t e p 数据库和网络化建立装配c a d c a p p 集成系统等研究方面都有很高的成槲略13 1 。如 对于敏捷制造模式下的装配c a p p 技术的研究，具体地分析了装配信息获取、知识库建立、 装配顺序决策和装配仿真等各个模块的关键技术和实现方法。作为主要研制人员，易红 教授在清华大学c i m s 实验工程研究中心参与完成的c a p p 及其集成技术研究受到了国内 外的高度评价。 清华大学c i m s 实验工程研究中心以多年在装配c a p p 方面的研究，以商品化c a d 软 件p r o e 为平台研究开发了一个工具软件系统，虚拟装配支持系统v a s s 【悼”】。它可以 使设计人员在虚拟状态下对产品装配进行分析、仿真，对产品进行预装配，对产品的可 装配性进行验证和改善。 华中科技大学的刘继红等提出了一个虚拟环境下面向装配的设计系统v d f a 【l 每1 8 】 ( v i r t u a ld e s i 驴f o ra s s 锄b l y ) ，在虚拟的环境中对装配建模、模型的重构、装配路径 规划和可装配性验证等方面做了大量的研究。 西北工业大学c a d c a m 国家专业实验室以自身大量的飞机相关产品的研发经验，将 装配操作、装配工具、装配夹具等装配工艺和资源信息集成为一个装配操作模型，提出 了一种基于操作模型的装配仿真技术 19 1 ，把产品的装配环境和装配过程有机地结合起 来，实现对产品的仿真。 哈尔滨工业大学在分析装配工艺文件处理流程的基础上，提出了一个基于i n t e r n e t 集成的装配工艺文件管理平台，这个平台使用a p f m l 语言，采用浏览器服务器体系结构， 是一种面向计算机集成制造和网络化分布制造的快速而低成本的装配工艺信息交换平 台【2 0 】。 北京理工大学的刘检华、宁汝新等提出了一个实用的虚拟装配工艺规划系统v a p p ( v i r c u a l 舡s e m b l yp r o c e s sp l 锄j l i n g ) ，对c a d 到c a p p 的数据转换、知识决策、装配可视 化等技术进行论述，在产品的初始设计阶段，就可以使设计人员对实体模型进行预装配， 西华大学硕士学位论文 为产品的装配工艺规划方法提供了一条全新的思路和途径，目前此系统已经使用到航天 产品相关的装配工艺设计中【2 1 抛】。 综合国内对于装配c a p p 的研究可以发现，国内的研究重点是对装配模型的表示和对 装配过程的仿真，而这也正是制造型企业当前对于装配工艺设计着重需求的。 1 4 装配c a p p 的研究背景及意义 1 4 1 装配c a p p 的研究背景 伴随着社会的发展、信息化程度的提高，社会和企业遭遇了巨大的挑战和机遇，制 造业企业面临着从产品的设计、生产到管理、市场规划和销售的一系列新的要求。而作 为国家和国民经济的支柱，在发展经济和社会文化诸方面，制造业的发展和改革都起到 巨大和深刻的影响作用。面对着时代的信息化，市场竞争的激烈化，传统的制造企业单 一品种、大批量的生产方式已不适应时代的要求，这迫使企业向产品的多样化、系列化 和个性化的方向发展，由基于库存的生产模式向基于订单的生产模式转变。 在市场需求变化迅速的今天，为了提高制造型企业的应变能力，提升产品的市场竞 争力，就必须优化提升t q c s ( 时间( t i m e ) ，质量( q u a l i t ”，成本( c o s t ) 和服务( s e i c e ) ) 这 个环节，以保证自己产品的竞争优势。产品只有以最快的速度上市，并且保持一定的产 品更新换代来适应不同用户的需求，这样才能在激烈的竞争中保持优势。 自二十世纪8 0 年代以来，在产品的设计和加工过程中，c a d c a m 技术在设计和制造 中的应用，大大提升了产品的设计效率和生产加工的自动化水平。然而，相对于产品的 设计和制造过程，作为产品制造过程重要环节的产品装配过程的研究却相对滞后，装配 的效率还很低下。有关研究表明【2 3 舶】，装配过程在工业发达的国家，产品的设计制造过 程中，产品的装配过程大概需要使用整个生产过程人力的l 3 ，所需要的时间占到产品 生产制造总工时的5 0 ，装配的费用占到2 0 3 0 ，装配在产品生产制造中的重要性 显而易见。而一个装配设计良好的产品设计，不但产品的制造费用可以减少2 0 4 0 ， 同时生产率可以提高1 0 0 2 0 0 ；如果在装配中出现问题，产品的制造费用则需要增 加5 0 。因此，推动发展产品装配技术，提高装配效率是企业提高产品生产率，降低生 产成本和增强企业核心竞争力的重要环节。 1 4 2 装配c a p p 研究存在的问题 由于装配c a p p 在计算机辅助工艺设计以及企业信息化建设中的重要作用，使得许多 企业开始尝试关注装配c a p p 的研究和应用，也取得了一定的经济效益，这使得这些企业 可以适应日趋激烈的市场竞争。但是目前的装配工艺设计系统的研究工作仍然有许多的 不足之，处。 平面二次包络蜗杆数控磨床磨头主轴箱的装配工艺设计 传统的装配工艺设计都是基于二维c a d 软件所开发的，它存在的问题是：设计周期 很长，不能适应现今不断变化的市场需求；对工艺人员有很强的依赖性，必须有经验丰 富的工艺设计人员和长时间的经验积累，人员的调动也在一定程度上影响了工艺设计的 质量；由不同的工艺设计人员所设计的装配工艺也不会相同，这就对装配工艺的规范化 造成了很大的难度，也不利于信息的集成和企业的信息化。 目前国内外很多装配c a p p 的研究都是基于虚拟技术的计算机辅助装配工艺设计系 统。这种虚拟的装配工艺设计系统以三维c a d 软件进行零部件建模，然后以零部件的三 维信息进行装配操作，可以让设计人员直观地了解装配过程的每一个细节，具有较高的 交互性；设计人员所看到的装配过程是一个三维立体的显示，装配工艺设计中出现什么 问题，设计人员也可以及时准确地发现并加以解决，这样产品装配的效率和质量就就可 以得到保证。 虽然虚拟装配工艺设计在国内外都有很大的发展，并且有传统装配工艺所没有的优 势，但虚拟现实技术的理论和方法还不够成熟，在实际应用中还没有达到很高的应用程 度，存在着一些不足：一是这种系统很多都是单独的装配验证系统，与c a d 系统和数据 管理系统( p d m ) 的融合程度不够，造成许多工艺资源不能共享。二是虚拟装配工艺设 计系统所采用的虚拟环境大多数都是完全沉浸式的。在不同的虚拟装配工艺设计系统 中，所需要的虚拟环境也是不同的，完全沉浸式的虚拟环境并不适合所有的虚拟装配工 艺设计系统。这是因为在虚拟装配工艺设计的过程中需要输入和显示大量的文字信息 ( 或数据) 。这样大量的信息是不适合在完全沉浸式的虚拟环境中完成的。第三方面的不 足则是硬件配置的高昂价格，这不利于虚拟现实技术在企业中的大量应用。 1 5 本文的来源及研究意义和主要内容 1 5 1 本文的来源及研究意义 随着科学技术的发展以及经济全球化进程的加快，企业在市场竞争中面临着巨大的 挑战，缩短产品生命周期成为企业生存下去的必要条件。而装配作为产品生命周期中的 重要环节，装配c a p p 的发展和应用必将在对现代制造业起到极大的推动作用。一方面， 它可以减少工艺设计人员的重复劳动，缩短装配工艺所需的时间，减弱工艺人员对于经 验的依赖性，提高装配工艺的规范化程度。另一方面，企业可以提高装配工艺设计的自 动化程度，降低了装配工艺设计过程中存在的质量风险，提高了生产率，在市场竞争中 处于领先地位。 6 西华大学硕士学位论文 鉴于装配工艺设计在现代制造业中的重要作用，以重庆大学机械传动国家重点实验 室委托西华大学数控研究所开发的四轴四联动数控磨床为研究对象，开发了一个装配工 艺设计系统。 本系统以s 0 1 i d w o r k s 为系统的开发和应用平台，开发平面二次包络蜗杆数控磨床磨头 主轴箱的装配工艺设计，通过将产品设计b o m ，转换生成装配b o m ，以装配b o m 为基础进 行主轴箱装配顺序的规划，然后在c a d 系统中对产品的装配过程进行仿真，工艺文件的 输出等，完成对产品的装配工艺设计。以三维c a d 软件中的三维零部件模型代替传统工 艺文件中的二维工艺简图，以装配过程的演示动画来代替传统的装配顺序、路径等的工 序图，直观明了地描述了装配过程，大大降低了对后续装配人员的认图能力的要求，降 低了装配过程的出错率和装配的时间和成本。因此，本文的研究对于企业在装配工艺设 计能力的提高方面具有积极的意义，有助于企业提升自身的竞争优势，提高信息化水平。 1 5 2 本文的主要内容 鉴于企业对装配c a p p 的需求，本文设计了一个计算机辅助装配工艺设计系统。它具 有以下功能：产品属性信息输入、装配b o m 生成、装配工艺过程卡生成、装配工序卡生 成及装配系统图生成。 通过对三维c a d 软件s o l i d w o r k s 的二次开发设计，实现c a d 设计中的工艺参数、零件 信息等产品信息的输出：按照输入的产品信息，可以在典型工艺知识库中找到相似工艺 信息的情况下，对找到的装配工艺进行修改、删除、增加等操作，如果没有则人机交互 产生新的装配工艺。采用面向对象分析的方法，对装配资源、计算机辅助编码、装配工 艺设计、装配系统图、装配仿真进行数据模型的分析，并在此基础上进行数据库的设计， 建立起系统的底层数据支持环境。对基于三维c a d 的装配工艺设计系统进行研究，设计 装配系统图工艺设计环境，以装配系统图为工艺设计的核心，完成产品从设计b o m 到装 配b o m 的转换。设计完成装配工艺过程卡、工序卡、装配系统图、物料清单的制定和输 出。 论文的主要内容和章节安排： ( 1 ) 介绍了平面二次包络蜗杆数控磨床的设计背景和原理；对c a p p 的原理和装配 c a p p 在国内外的发展现状作了介绍，提出了一种装配c a p p 的设计系统方法，并对其研究 的意义和主要内容进行论述。 ( 2 ) 对系统的开发平台s 0 1 i d w o r k s 和s q ls e r v e r 关系数据库进行介绍，说 明了系统开发的基础环境和设计基础；对物料项清单( b o m ) 技术的含义以及界定 介绍，并说明了b o m 技术在装配工艺设计系统中的重要作用进行了分析。 ( 3 ) 对系统进行总体设计。本章通过对装配工艺设计系统的需求分析，在此基础 平面二次包络蜗杆数控磨床磨头主轴箱的装配工艺设计 上确定本系统的总体目标和解决方案，提出本系统的应用体系结构，设计系统的功能模 块。 ( 4 ) 系统设计的关键技术的研究。研究装配工艺设计系统的关键技术：装配信息 的提取、装配顺序的规划、装配路径的规划、装配的仿真、工艺资源和工艺文件的管理 等，并最终生成装配过程仿真，输出装配工艺文件。 ( 5 ) 系统开发实例。对系统的实现实例进行开发，以平面二次包络蜗杆数控磨床 磨头主轴箱为例，以整个装配工艺流程为实例，作为原型系统技术方案的验证。 西华大学硕士学位论文 系统开发环境和技术 2 1s o i i d w o r k s 简介 s 0 1 i d w o r k s 软件是美国s o l i d w o r k s 公司开发的三维造型软件，目前在我国的中小 企业里大量使用，其界面友好，使用非常方便【2 7 】。s 0 1 i d w o “sa p l 提供了二次开发的 接口函数，用户可以根据自身需要，使用v i s u a lb a s i c 、v i s u a lc + + 、c # 等高级语言编 写应用程序，对s o l i d w o r k s 进行二次开发。s 0 1 i d w o r k s 的主要特点有： ( 1 ) 采用基于特征的参数化三维实体建模。零件设计者只需绘制草图，在对其施加 几何约束和尺寸约束，再通过特征如拉伸、旋转、拉伸切除等完成模型的实体建模。这 种建模方式方便、快捷。 ( 2 ) 用户可以利用其零件配置功能，方便地配置和管理零件的总体信息如零件名 称、毛坯类型、材料等。 ( 3 ) 动态干涉检查。利用此功能用户可以方便模拟零件从建模到装配体的整个安装 过程，解决装配体动态干涉问题。 ( 4 ) 三维模型自动转换生成二维工程图，真正实现无纸化设计与生产。 2 2s q ls e r v e r 关系数据库 s q ls e r v e r2 0 0 0 是微软公司在s o ls e r v e r7 0 的基础上扩展升级的数据库产品， 是一个大型关系数据库管理系统。我们可以用它来创建各种资源库和系统的知识库。它 的工作方式是，用户将请求发送给服务器，服务器接受请求后对事务进行分析和处理， 然后给用户做出回应，并将结果数据存储在数据表中，供用户查询。实现这一系列任务 的应用程序，是使用数据库语言t r a n s a c t s q l 编辑完成的，使所有用户都可以访问到 存储在服务器上的数据。它主要由服务管理器、企业管理器和查询分析器组成。企业管 理器是s q ls e r v e r2 0 0 0 数据库系统中最重要的工具，利用它可以方便地建立系统所需 的各种数据库，并对数据库进行添加、删除、修改等。此外，它可以调用s q ls e r v e r2 0 0 0 的其它工具，进行协同工作。可以用它创建数据库并可以对这些数据库对象进行添加、 修改、删除和查看等工作。对s q l 语句、批处理和脚本进行交互地设计和测试，则可通 过查询分析器来完成。服务管理器的功能是启动、停止和暂停服务器上的组件。因此， 本文选择s q ls e r v e r2 0 0 0 作为系统的支撑数据库，来构建和管理大量而繁多的数据资 源。 系统使用0 d b c 技术实现数据库的连接。0 d b c ( o p e nd a t a b a s ec o n n e c t i v i t y ) 是提供 访问数据库的标准，编程人员编写的应用程序只要根据这些标准就能够自由使用a p i 函 9 平面二次包络蜗杆数控磨床磨头主轴箱的装配工艺设计 数。其工作原理是，应用程序首先用w i n d o w s 控制面板的o d b c 管理器注册一个数据源， 管理器根据数据源提供的o d b c 驱动程序、数据库位置及数据库库类型等信息，建立起 o d b c 与具体数据库的联系，实现数据库的访问。这样，只要应用程序将数据源名提供给 0 d b c ，0 d b c 就能够建立起与指定数据库的连接。 2 3b o m 技术 b o m 的意思是物料项清单，是构成一个物料项的所有物料项的列表【2 8 1 。b o m 是计算机 辅助设计c a d 系统中的所有产品的明细表汇总，在对产品的数据管理p d m 系统中，产品结 构配置等相关应用中需要用到其中的基础数据，b o m 表中数据的准确与否会影响到产品 结构配置等相关应用的质量。 在制造企业的信息集成系统中，b o m 发挥着关键的纽带作用【2 9 1 。装配工艺设计系统 从三维c a d 系统中得到的主要的信息是设计b o m 。设计b o m 通过装配工艺设计系统的获取 和转换，装配工艺的设计，最终生成各种工艺文件和经过调整的产品b o m 结构树，进行 对装配过程的仿真，向m r p i i e r p 系统提供产品的装配工艺顺序和路径报告、零件记录 和工装夹具信息。在先进制造企业信息化的大环境下，装配工艺设计系统也不止只是在 工艺设计和工艺信息管理的时候用到，更需要与制造企业内部在产品设计制造领域的其 他应用系统c a d p d m m r p i i e r p 的集成化。而b o m 技术始终贯穿产品设计制造领域 c a d p d m m r p i i e r p ，所以面向b o m 的装配工艺设计思想可以提供一种解决企业内部数据 的集成方案。 物料项的含义是原材料在企业的设计制造过程的某一存在形态，而且这个原材料的 存在形态在企业的生产设计制造和经营活动中，是具有某一方面的意义的，为了保证这 个形态就必须在这些活动中去管理控制。例如图2 1 某型号的轴承的总成装配过程中， 一共存在了三个状态。在状态l 情况下，还没有装配的轴承的库存物料项有支架、钢套、 刚性球体；在状态3 的情况下，轴承的总成装配已经完成，这时物料项就只有轴承。而 在状态2 的情况下，它是轴承在装配过程中需要的一个中间状态，在企业的采购经营等 管理活动中并不是很重要的，所以不能称为物料项。 1 0 西华大学硕士学位论文 装配前 状态1 物料项 装配中 状态2 图2 1轴承装配过程 f i g2 1c a s eo fa s s e m b l yp r o c e s s 装配后 状态3 物料项 确定一个原材料的形态对生产制造和经营活动是否具有意义，这个判断标准也并不 是一成不变的。在不同的需求变化下，上图状态2 也可以成为物料项。如在一些精密装 配过程中，需要对其质量进行保证或者要对其进行不同的表面处理，在这个状态下，我 们就称它为物料项。 在物料项之间是具有一定的关系的，这些不同的关系就构成了不同的b o m 。物料项 之间关系的一个重要特点就是具有明显的层次性。在很多情况下，物料项之间的关系主 要指的是父子关系。不过在装配工艺设计系统中，我们需要的是物料项之间建立兄弟顺 序关系，也就是零部件之间进行装配时所需要的装配顺序。 b o m 表达的就是不同物料项相关联的关系信息总和，它用结构化的方法来表达功能 关系、工艺关系、装配关系等物料项相关联的关系信息，形成产品的结构树。在装配c a p p 系统中，产品与部件、组件，部件与组件、零件之间都存在着相对应的装配关系，这种 对应对象之间的联系就组成了产品的结构树。产品结构树上的每一个节点所代表的对象 就是一个零件。根节点代表的是产品，子节点代表的是总成、部件和组件，叶节点代表 的是零件，这些节点之间是以产品的装配关系联系起来的。根据这种树型结构的层次关 系，产品和零部件之间的结构关系就可以进行明确的描述。如图2 2 所示。 ，谚蝤硷 平面二次包络蜗杆数控磨床磨头主轴箱的装配工艺设计 根节点子节点 叶节点 叶节点 叶节点 图2 2 装配关系型产品结构树 f i 9 2 2p r o d u c t i o nc o n s t r u c t i o nt r e eo fa s s e m b l yr e l a t i o n 零件 在本装配工艺设计系统中，以b o m 为设计的主线，通过与三位c a d 系统的集成来获取 零部件的设计b o m ，并把设计b o m 进行转换得到装配b o m ，这样在整个装配工艺设计系统 中，物料项和其结构的变换实时地反映到b